CN103200675A

CN103200675A - 免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法及***

Info

Publication number: CN103200675A
Application number: CN2013100972028A
Authority: CN
Inventors: ***; 汪洋
Original assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Current assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2013-07-10

Abstract

本发明涉及一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法及***，建立目标定位区域的电子地图，建立电子地图坐标系；设置多个无线传感器节点，确定所述无线传感器节点在所述电子地图中的坐标值和位置；目标节点广播数据包，所述无线传感器节点测量目标节点的RSSI值；根据测量该目标节点RSSI值的所述无线传感器节点在电子地图中的坐标值及获取的该目标节点的RSSI值得到该目标节点在所述电子地图中的坐标，根据该目标节点的坐标得到目标在电子地图中的定位位置。本发明一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法及***，借助电子地图在不进行节点自定位情况下实现目标定位，使得提高定位精度、降低实施难度并扩大定位应用范围。

Description

免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法及***

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络目标定位方法及***，尤其涉及一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法及***。

背景技术

无线传感器网络是近年诞生的综合了传感、计算和通信技术的新型网络化感测技术，目标定位是无线传感器网络主要应用之一，利用网络节点协同测量处理目标信号来估计目标所在位置。目标定位重要前提之一是首先确定出传感节点坐标，常规思路是在定位现场部署完传感节点后，通过节点间一系列信息交互和处理过程来估计节点坐标，然后基于节点坐标和测量数据来计算目标坐标。目前广泛开展的无线传感器网络节点自定位研究就是针对解决这一问题，且取得了一定效果，但在实际应用中还存在一些问题：1）低成本下节点定位精度偏低。节点自定位通常基于部分集成GPS模块锚节点来定位其它节点，民用GPS定位误差已达到数米或十多米。不采取精密测量技术条件下其它节点定位精度更加难以保证，这将剧烈影响目标定位效果，难以符合实际应用要求；2）实现复杂。目前节点自定位研究主要停留在理论仿真层面，许多自定位方法在实际网络平台上实现起来很复杂，可靠性也难以保证；3）应用受限。节点自定位多借助GPS模块，故在室内、井下等环境中难以实现，而自定义坐标系中标定节点坐标的难度也较大。

广大科技工作者已在无线传感器网络目标定位***和节点自定位方面做了许多工作。目标定位***方面，公开号为CN102645645A的发明专利公开了一种室内自定位的方法及***，该***包括信标装置、自定位装置、计算装置等，自定位装置发出同步射频信号和超声波信号，信标装置接收自定位装置信号、测量超声波到达时间等信息，并将测量结果返回自定位装置，由自定位装置计算自身到信标装置距离并传给计算装置，最终由计算装置根据事先建好的室内坐标估算自定位装置位置；公开号为CN102183930A的发明专利公开了一种化工场景下人员定位监测***及定位方法，无线传感器网络定位***通过RS-485总线与各车间分站网关通讯，传感网络中的移动节点模块向参考节点模块发射无线信号，接收各参考节点模块返回的信号强度测量值，启动片上定位引擎计算自身位置坐标后，经由网关节点模块和RS-485总线将定位结果传输到监控端。监控计算机实时采集定位数据并显示位置信息，用于发生化工事故后迅速掌握受困人员现场位置，以便及时开展救援；公开号为CN102186245A的发明专利公开了一种变电站无线传感器网络移动终端精确定位的方法。该方法初始化了节点数组NodeID、节点数计数器Index和参与定位计算固定节点个数PacketNumber，由固定节点根据移动终端信号RSSI计算它到移动终端距离并发给前置机，前置机判断固定节点编号并存入NodeID中，当Index等于自定义PacketNumber时，开始计算移动终端坐标。该发明减少了数据处理工作量，还具有运行稳定等特点。公开号为CN102314748A的发明专利提供了一种基于无线传感器网络的毒气泄漏源定位方法，布置传感器完全覆盖检测区域，当发生毒气泄漏事故时，根据传感器的报警顺序记录不同状态时参数，根据这些参数计算毒气泄漏源坐标。针对矿井下GPS定位受限的情况，公开号为CN102781092A的发明专利公开了一种基于煤矿井下无线传感器网络的定位方法，该发明提出在巷道单侧壁等距离部署锚节点，划分各锚节点对应区块。先以目标节点所在区块锚节点为坐标原点计算目标节点本地坐标，然后将本地坐标转换为以源节点为坐标原点的巷道全局坐标并上传至数据库；城市中经常发生人员走失、车辆丢失等现象，公开号为CN102098619A的发明专利公开了一种基于物联网的车辆人员定位***，城市中每隔一定距离安装固定读卡器，人员或车辆携带RFID长距离有源标签周期性发射信号，固定读卡器将收到标签ID号和自身编号信息发送到数据转发器，数据转发器经由Web服务器将数据传输到数据采集中心和中央控制室数据库，用户通过输入编号可查询人员或车辆位置。节点自定位方面，公开号为CN101778472A的发明专利公开了一种无线传感器网络的分布式节点定位方法，该发明提出了一种改进DV-Distance节点定位方法，将锚节点到未知节点的跳数引入到距离修正值中，提出了基于跳数的距离修正方法，获得与原算法相比具有更高的定位精度；公开号为CN102740458A的发明专利公开了一种无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法，该方法首先计算信标节点移动路线和采集点位置，信标节点沿移动路线移动并在采集点处发出定位请求，未知节点收到请求后返回响应信息，信标节点根据响应信息估测位置关系及计算定位结果。该发明所提供的集中式定位方法，使节点自定位计算由能量充足的信标节点完成，有效节省未知节点的能耗。

以上的现有技术分别在多场景下目标定位***和节点自定位技术涉及的不同方面公开了相关发明内容，为推动无线传感器网络目标定位技术发展积累了宝贵财富。然而，节点自定位始终是影响无线传感器网络目标定位技术走向实际应用的重要环节。针对节点自定位所引发的定位精度低、实现复杂、应用受限等相关问题，目前已公开无线传感器网络目标定位领域发明专利尚少涉及这一方面，考虑到上述问题显著的现实意义，寻求一种能够减小节点自定位对目标定位精度、实施难度及应用范围影响的无线传感器网络目标定位机制与***至关重要。在我们长期定位研究中，逐渐注意到几点：1）用户关注点。对于很多目标定位应用，用户主要关注目标在定位场景中的相对位置，而非单纯目标坐标值；2）定位问题描述环境的转换。既然用户关注目标相对位置，事实上可以将目标定位问题从实际定位现场转移到电子地图架构中加以解决，确定出目标在电子地图中的位置，也就满足了用户要求。3）节点自定位的免除。对于城镇、室内、井下等由人工部署节点的应用场景，可直接在电子地图中确定出节点部署位置，并由此得出其相对坐标。节点位置精度主要取决于电子地图准确度，其相对位置将会显著减小，同时能免除实际环境中复杂的节点自定位过程。

发明内容

本发明解决的技术问题是：构建一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法及***，克服现有技术利用无线传感器网络定位时自定位过程复杂的技术问题。

本发明的技术方案是：提供一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法，包括如下步骤：

构建电子地图：建立目标定位区域的电子地图，建立电子地图坐标系；

设置无线传感器节点：设置多个无线传感器节点，确定所述无线传感器节点在所述电子地图中的坐标值和位置；

获取传感器节点测量信息：目标节点广播数据包，所述无线传感器节点测量目标节点的RSSI值，并发送到上位机；

确定目标节点的位置：根据测量该目标节点RSSI值的所述无线传感器节点的坐标值及获取的该目标节点的RSSI值得到该目标节点在所述电子地图中的坐标，根据该目标节点的坐标得到目标在电子地图中的定位位置。

本发明的进一步技术方案是：在定位区域内设置多个无线传感器节点，每个传感器节点设定全网唯一的标识号并记录在无线传感器节点中，传感器节点将记录有本节点标识号和RSSI测量值的数据包发送到上位机。

本发明的进一步技术方案是：还包括电子地图数据库，电子地图数据库存储有描述电子地图所有元素的数据、无线传感器节点坐标数据和地图匹配模块；，

本发明的进一步技术方案是：所述电子地图数据库包含的无线传感器节点坐标数据包括无线传感器节点标识号和传感器节点在电子地图的坐标值。

本发明的进一步技术方案是：还包括目标定位算法模块，负责根据传感器节点在电子地图的坐标和传感器节点RSSI测量值计算目标在电子地图的坐标；

本发明的进一步技术方案是：对目标节点在所述电子地图中的坐标进行地图匹配。

本发明的进一步技术方案是：所述无线传感器节点设置在附着物上，所述无线传感器节点设置在电子地图区域中。

本发明的技术方案是：构建一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位***，包括多个无线传感器节点、获取所述无线传感器节点在所述电子地图中的坐标值和位置的获取单元、构建电子地图的地图构建单元、获取传感器节点测量信息的获取单元、确定目标节点位置的确定单元，所述地图构建单元建立目标定位区域的电子地图，建立电子地图坐标系；目标节点广播数据包，所述确定单元通过所述无线传感器节点获取测量的目标节点的RSSI值并根据测量该目标节点RSSI值的所述无线传感器节点的坐标值得到该目标节点在所述电子地图中的坐标，根据该目标节点的坐标得到目标在电子地图中的定位位置。

本发明的进一步技术方案是：包括对目标节点在所述电子地图中的坐标进行地图匹配的地图匹配单元。

本发明的进一步技术方案是：在定位区域内设置多个无线传感器节点，每个传感器节点设定全网唯一的标识号并记录在无线传感器节点中。

本发明的技术效果是：本发明一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法及***，建立目标定位区域的电子地图，建立电子地图坐标系；设置多个无线传感器节点，确定所述无线传感器节点在所述电子地图中的坐标值和位置；目标节点广播数据包，所述无线传感器节点测量目标节点的RSSI值；根据测量该目标节点RSSI值的所述无线传感器节点在电子地图中的坐标值及获取的该目标节点的RSSI值得到该目标节点在所述电子地图中的坐标，根据该目标节点的坐标得到目标在电子地图中的定位位置。本发明一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法及***，借助电子地图在不进行节点自定位情况下实现目标定位，使得提高定位精度、降低实施难度并扩大定位应用范围。本发明一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法及***，借助电子地图在不进行节点自定位情况下实现目标定位，使得提高定位精度、降低实施难度并扩大定位应用范围。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明的无线传感器网络目标定位***结构示意图。

图4为本发明的目标定位场景与电子地图示意图。

图5为本发明的用户端应用层软件功能模块及工作流程图。

图6为本发明的电子地图中传感节点信息初始化流程图

图7为本发明的基于电子地图的目标定位流程图

图8为本发明的各软件模块作用机理示意图

图9为本发明的传感器节点数据包格式。

图10为本发明的地图匹配示例图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

如图1所示，本发明的具体实施方式是：提供一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法，包括如下步骤：

步骤100:构建电子地图，即：建立目标定位区域的电子地图，建立坐标系。

具体实施过程如下：电子地图仅指目标定位区域的电子地图，视实际情况可以是二维地图或三维地图，地图制作手段不加限制，但电子地图必须是矢量图，地图元素需通过数据和数学公式来描述。同时要求电子地图能准确、精细而全面地展现定位区域中的固定设施及相对位置、地形地貌等特征信息，其准确度和精细度直接影响电子地图中传感器节点位置精度和目标定位精度。电子地图应能全面展现所有承载传感器节点的固定设施，否则会给传感器节点位置确定带来难度。电子地图的建立可借助区域规划设计图、建筑设计图、地图、卫星图像等相关材料，利用专业应用软件进行制作。基于用户自定义的电子地图坐标系，最终形成描述所有地图元素的电子地图数据库。定位应用区域确定后，在用户端建立目标定位区域的精细电子地图。然后在电子地图中自定义坐标系，理论上坐标系类型可以任选，考虑到使用***行或垂直地面的形式。

步骤200：设置无线传感器节点，即：设置多个无线传感器节点，确定所述无线传感器节点在所述电子地图中的坐标值和位置。

具体实施过程如下：将传感器节点手动安装在定位区域内固定设施上，例如：建筑物表面、电线杆、路灯杆等，安装每个传感器节点时需在固定设施上选择一个对应的基准点，并测定传感器节点位置相对于基准点的高度差、水平方向距离等数值。继而在电子地图内的固定设施上找到每个传感器节点对应的基准点位置及其坐标值，根据已经测定的传感器节点相对其基准点的偏移距离、电子地图比例尺、电子地图中基准点坐标值可算出电子地图中每个传感器节点的坐标值，进而确定出电子地图中传感器节点位置。具体实施例中，在定位区域内设置多个无线传感器节点，每个传感器节点设定全网唯一的标识号并记录在无线传感器节点中。

步骤300：获取传感器节点测量信息，即：目标节点广播数据包，所述无线传感器节点测量目标节点的RSSI值。目标节点由定位对象随身携带，每隔一定时间广播一个数据负载只记录目标识别号的短数据包；收到目标节点同一数据包的所有传感节点将记录RSSI值和自身标识号ID数据包发送到上位机。

步骤400：确定目标节点的位置，即：根据测量该目标节点RSSI值的所述无线传感器节点的坐标值及获取的该目标节点的RSSI值得到该目标节点在所述电子地图中的坐标，根据该目标节点的坐标得到目标在电子地图中的定位位置。

上位机接收所有这些传感节点数据包，根据对应标识号ID传感节点在电子地图中的坐标值和RSSI测量值计算目标节点在电子地图坐标系中的定位坐标值。

可应用的定位算法种类很多，这里以最常见的最小二乘估计定位算法为例，假定一共收到N个传感器节点S_i(i=1,2,…,N)发来RSSI测量数据r_i′，根据传感器节点标识号i查找传感器节点S_i在电子地图中的坐标值(x_i,y_i)，令RSSI衰减信道模型为下列对数模型：

r_i=A+10ηlgd

其中，r_i表示RSSI模型值，d表示传感器节点到目标节点的距离，A为模型参数，η为模型参数。最小二乘估计定位算法通过求解下列最优化问题，计算目标在电子地图中的坐标值：

定位算法以一定分辨率在定位区域内搜索目标坐标值x′_T、y′_T，并将使目标函数

达到最小值的目标坐标x′_T、y′_T作为目标在电子地图中的初次定位坐标值。

如图2所示，本发明的具体实施过程是：构建一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位***，包括多个无线传感器节点1、获取所述无线传感器节点在所述电子地图中的坐标值和位置的获取单元2、构建电子地图的地图构建单元3、确定目标节点的位置的确定单元5，所述地图构建单元3建立目标定位区域的电子地图，建立坐标系；目标节点广播数据包，所述确定单元5通过所述无线传感器1节点获取测量的目标节点的RSSI值并根据测量该目标节点RSSI值的所述无线传感器节点的坐标值得到该目标节点在所述电子地图中的坐标，根据该目标节点的坐标得到目标在电子地图中的定位位置。

如图2、图3所示，具体过程如下：图3为本发明的无线传感器网络目标定位***结构示意图，定位***基本架构包括目标节点、无线传感器网络、传输中介、用户端等四部分。目标节点由定位对象随身携带，目标节点由定位对象随身携带，每隔一定时间广播一个数据负载只记录目标识别号的短数据包；在定位区域中部署多个传感器节点，所述传感器节点为无线传感器节点1，无线传感器网络由部署在定位区域的无线传感器节点1通过自组织无线互联而成，担负目标信号感测、传输等任务。部署无线传感器节点1前，需为每个节点指定全网唯一的ID号并记录在无线传感器节点中，编制节点应用程序，使其在收到目标数据包后提取RSSI值，连同节点ID号发送到网关节点。无线传感器节点1通过人工手动安装在建筑物、电线杆、路灯杆等固定设施上。节点安装需满足两个基本条件：1）节点附着设施将能包含在电子地图中，或便于在电子地图中确定其位置；2）便于确定传感器节点在附着物上的相对位置。网关节点是无线传感器网络与外界通信的桥梁，它将来自无线传感器节点的数据通过传输中介转发给用户端。传输中介为无线传感器网络数据能够到达用户端提供多样化传输途径，而传输中介类型的选择则视应用情况和环境决定，例如远程传输应用可使用GPRS、3G等移动通信网络或Internet。用户端包括PC机等硬件设备和应用层软件，应用层软件是实现定位可视化和信息管理的服务平台，将目标当前位置以电子地图形式实时展现给用户。它包括若干不同功能的模块，主要有电子地图数据库模块、目标定位数据库模块、定位算法模块、GUI模块、数据交互模块、信息管理模块、用户操控模块、地图匹配模块等，其中，电子地图仅指目标定位区域的电子地图，视实际情况可以是二维地图或三维地图，地图制作手段不加限制，但电子地图必须是矢量图，地图元素需通过数据和数学公式来描述。同时要求电子地图能准确、精细而全面地展现定位区域中的固定设施及相对位置、地形地貌等特征信息，其准确度和精细度直接影响电子地图中传感器节点位置精度和目标定位精度。电子地图应能全面展现所有承载传感器节点的固定设施，否则会给传感器节点位置确定带来难度。电子地图的建立可借助区域规划设计图、建筑设计图、地图、卫星图像等相关材料，利用专业应用软件进行制作。基于用户自定义的电子地图坐标系，最终形成描述所有地图元素的电子地图数据库。通过这些模块协同工作，应用层软件实现传感器网络数据接收处理、目标位置估算与展现、数据存储查询、信息服务管理等功能。

图2为本发明的无线传感器网络目标定位实现流程，它包括建立定位***、目标定位两部分。定位应用区域确定后，在用户端建立目标定位区域的精细电子地图。然后在电子地图中自定义坐标系，理论上坐标系类型可以任选，考虑到使用***行或垂直地面的形式。坐标系确定后，根据电子地图比例尺可以换算出电子地图元素的坐标值和数学表达式，并将这些信息存储在电子地图数据库中。电子地图建立完成后，在目标定位区域部署无线传感器节点。首先要为每个传感器节点设定全网唯一的ID号，编制测量目标信号RSSI值并发送到网关节点的传感器节点应用程序，将每个传感器节点ID号连同节点应用程序、协议栈等一起下载到节点中。然后通过人工方式将传感器节点手动安装在定位区域内固定设施上（例如建筑物表面、电线杆、路灯杆等），安装每个传感器节点时需在固定设施上选择一个对应的基准点，并测定传感器节点位置相对于基准点的高度差、水平方向距离等数值。继而在电子地图内的固定设施上找到每个传感器节点对应的基准点位置及其坐标值，根据已经测定的传感器节点相对其基准点的偏移距离、电子地图比例尺、电子地图中基准点坐标值可算出电子地图中每个传感器节点的坐标值，进而确定出电子地图中传感器节点位置，上面就完成定位***建立工作。***投入目标定位应用后，目标节点每隔一定时间广播一个数据负载仅包含目标识别号的短数据包，每个收到目标数据包的传感器节点测量RSSI值后，将记录了传感器节点ID号和RSSI值的数据包发送到网关节点，并经网关节点转发到用户端。用户端一定时间内汇集接收同一位置目标数据包的所有传感器节点发来数据包后，根据传感器节点ID号查询每个传感器节点在电子地图中的坐标值，进而调用定位算法程序，根据这些传感器节点在电子地图中的坐标值及每个节点的RSSI测量值来估算目标在电子地图中的坐标值，调用地图匹配算法修正目标在电子地图中的坐标值，然后在GUI界面中显示出目标在电子地图中的位置。图4为本发明的目标定位场景与电子地图示例。左图所示是一个典型城市背景下的户外目标定位应用场景，场景内分布有若干建筑物和道路，圆点S_i表示安装在建筑物上的无线传感器节点1，这些节点通过无线链路（图中闪电符号）组成无线传感器网络。汽车表示定位对象，它携带周期广播数据包的目标节点T在道路上行驶。无线传感器节点1在收到目标数据包后，测量目标节点的RSSI值并将包含RSSI值和无线传感器节点1的ID号的数据包发送到网关节点。目标定位场景中没有显示出传感器节点和目标节点坐标值。这表明：一方面，部署无线传感器节点1时，仅需设定无线传感器节点1的ID号并确定它在固定设施上的相对位置即可，而无需在定位现场实施复杂的节点自定位过程来估算各传感器节点坐标值，在降低建立定位***难度同时，也能提高无线传感器节点1的定位精度；另一方面，用户通常并不关注目标在定位场景中的具体坐标值，而是关注目标在定位场景中所处的相对位置。图4中右边所示为目标定位场景的三维电子地图，电子地图具有一定比例尺，该示例电子地图采用直角坐标系。根据左图定位场景中每个传感器节点S_i相对基准点的偏移距离，就可确定无线传感器节点S_i在右边电子地图中的坐标(x_i,y_i,z_i)和位置。在电子地图有较高准确度和精细度及无线传感器节点1相对位置较为准确情况下，在电子地图中将获得较高无线传感器节点1坐标准确度，其相对定位误差要明显小于定位现场通过复杂节点自定位产生的相对误差值。在确定出电子地图中无线传感器节点1坐标后，根据每个无线传感器节点1坐标值和RSSI值计算出目标节点在电子地图中的坐标值，利用电子地图中描述道路的数学信息对目标位置进行地图匹配，可得到目标T在电子地图中坐标值的修正值(x_T,y_T,z_T)，根据这一修正值和坐标系，即可在电子地图中显示出目标所在位置，满足定位应用需求。

如图10所示，这里举例说明地图匹配的方法：图中实现所绘图形为丁字路口，箭头表示行车方向，这些图形信息都以公式和数据形式存储在电子地图数据库中。空心点T′(x′_T,y′_T)表示经过定位算法模块初次定位计算得到目标在电子地图的坐标值和位置。假定应用场景中的目标只会在公路上移动，对于图中目标初次定位位置超出路基的情况，需要重新修正目标位置。这里采用修正方法之一的最近点法，在电子地图数据库中检索所有道路信息，找出目标初次定位位置T′垂直距离最近的公路，若公路为单行道，则将目标定位位置修正为目标初次定位位置T′到该条公路的垂线L_T与公路中轴线L_R的交点T(x_T,y_T)，将T(x_T,y_T)作为目标定位的最终位置。若公路为双向行驶，则将目标定位位置修正为目标初次定位位置T′到该条公路的垂线L_T与公路双向行驶道中靠近目标一侧行驶道（包含相同方向所有车道）的中轴线L_R的交点T(x_T,y_T)，并将该位置坐标作为目标定位最终坐标进行存储。

图5为本发明的用户端应用层软件的功能模块及工作流程图。按模块功能划分，用户端应用层软件主要包括***管理模块、信息交互接口模块、用户操控响应模块、定位算法模块、电子地图数据库、目标定位数据库、地图匹配算法模块、GUI模块等，上述每个模块实现不同功能。***管理模块负责应用层软件各个模块的综合调度管理；信息交互接口模块负责接收和预处理传感器网络数据包；用户操控响应模块负责响应用户对应用层软件的操控命令，并将命令传递给管理模块；定位算法模块用于计算目标节点在电子地图中的坐标值；电子地图数据库存储有描述电子地图所有元素的数据和表达式等数学信息，为目标定位应用提供重要的信息支持；目标定位数据库用于记录目标节点在电子地图中的历次定位坐标值；地图匹配算法模块用于修正目标节点在电子地图中的初次定位坐标值，使其更加符合电子地图的道路特征；GUI模块用于显示电子地图及目标位置、软件配置界面及其它界面。图中标号显示出一个典型的应用层软件工作流程，首先信息交互接口模块从收到传感器节点数据包中提取传感器节点ID号和RSSI测量值并传递给管理模块，管理模块将传感器节点ID号传递到电子地图数据库中查询传感器节点在电子地图中的坐标值；当多个收到同一位置目标数据包的传感器节点ID号和RSSI测量值传递给管理模块后，管理模块就从电子地图数据库中查询到这些传感器节点在电子地图中的坐标值；管理模块将传感器节点RSSI测量值及其在电子地图中的坐标值传递给定位算法模块，定位算法模块计算目标节点在电子地图中的坐标值并返回给管理模块；管理模块将目标节点坐标值传递到地图匹配模块，地图匹配模块通过调取电子地图数据库中地图元素数学信息对目标坐标值进行修正，并将修正结果返回给管理模块；管理模块将修正后的目标定位坐标信息和电子地图信息一同传递给GUI模块，GUI模块在屏幕上显示出目标节点在电子地图中所在位置，同时管理模块还将修正目标定位坐标传递到目标定位数据库中进行保存。除上述工作流程所涉及模块外，虚线箭头表示其余模块为用户提供的软件操控服务，当用户通过鼠标、键盘或触摸屏发出操控命令后，用户操控响应模块将操控命令传递给管理模块，管理模块调度软件后台程序响应这些命令并通过GUI界面显示出来。例如用户想要查阅前几次目标定位结果时，管理模块就从目标定位数据库中调取保存的目标定位坐标历史信息并传送到GUI模块进行显示，给出用户想要的结果。

为本发明的传感器节点安装及其相对位置如下：在无线传感器网络目标定位应用中，传感器节点通过人工手动方式安装在目标移动路径周围的固定设施上，例如建筑物、电线杆、路灯杆等现成设施或适当位置现场安装的固定支架。以节点装在建筑物外墙为例，人工在安装节点S_i到指定位置后，为了便于在电子地图中确定传感器节点位置，应在建筑物上选定一个基准点G_i，并测定传感器节点安装位置相对基准点位置的高度差h、水平方向距离值d，这样就能确定传感器节点相对建筑物的位置，为了在电子地图中容易找到基准点，一般在建筑物上选择靠近传感器节点安装位置的棱角处作为基准点。在电子地图中对应建筑物上找到基准点后，可以首先利用电子地图数据库确定电子地图中基准点坐标值，再根据定位现场测定的距离值h、d和电子地图比例尺即可计算出传感器节点在电子地图中的坐标值。

图6为本发明的电子地图中传感节点信息初始化流程图。首先为无线传感器节点S_i设定ID号i，并载入无线传感器节点应用程序，然后人工手动安装传感器节点，继而在安装节点的固定设施上选择基准点G_i，并测定传感器节点S_i相对于基准点G_i在不同方向的距离h_i、d_i，然后确定基准点G_i在电子地图中的坐标(x_gi,y_gi,z_gi)，根据电子地图中基准点坐标(x_gi,y_gi,z_gi)、定位现场测定的距离值h、d和电子地图比例尺即可计算出传感器节点在电子地图中的坐标值(x_i,y_i,z_i)，然后可以通过GUI模块在电子地图中显示出传感器节点位置，并建立和存储表2所示的传感器节点ID及其在电子地图中坐标值的数据表。

图7为本发明的基于电子地图的目标定位流程图。上位机收到若干传感器节点数据包后，从任一个传感器节点Si数据包中提取节点ID号i和RSSI数值ri，查询ID号为i的传感器节点在电子地图中的坐标值(x_i,y_i,z_i)，然后调用定位算法程序根据电子地图中传感器节点坐标和RSSI值ri计算目标在电子地图中的坐标值(x′_T,y′_T,z′_T)，调用地图匹配算法程序对电子地图中目标坐标进行修正得到修正坐标(x_T,y_T,z_T)保存到目标定位数据库，然后通过GUI界面显示目标在电子地图中的位置。图8为各软件模块作用机理示意图，从另一个角度展现了应用层软件各模块在目标定位运算中发挥的作用。图8为本发明的传感器节点数据包格式。数据包除了通信协议相关控制帧和其它控制信息外，数据负载中记录传感器节点ID号和RSSI测量值。

本发明的优选实施方式是：对目标节点在所述电子地图中的坐标进行地图匹配。调用地图匹配算法修正目标在电子地图中的坐标值，然后在GUI界面中显示出目标在电子地图中的位置。如图10所示，这里举例说明地图匹配的方法：图中实现所绘图形为丁字路口，箭头表示行车方向，这些图形信息都以公式和数据形式存储在电子地图数据库中。空心点T′(x′_T,y′_T)表示经过定位算法模块初次定位计算得到目标在电子地图的坐标值和位置。假定应用场景中的目标只会在公路上移动，对于图中目标初次定位位置超出路基的情况，需要重新修正目标位置。这里采用修正方法之一的最近点法。在电子地图数据库中检索所有道路信息，找出目标初次定位位置T′垂直距离最近的公路，若公路为单行道，则将目标定位位置修正为目标初次定位位置T′到该条公路的垂线L_T与公路中轴线L_R的交点T(x_T,y_T)，将T(x_T,y_T)作为目标定位的最终位置。若公路为双向行驶，则将目标定位位置修正为目标初次定位位置T′到该条公路的垂线L_T与公路双向行驶道中靠近目标一侧行驶道（包含相同方向所有车道）的中轴线L_R的交点T(x_T,y_T)，并将该位置坐标作为目标定位最终坐标进行存储。

本发明的技术效果是：本发明一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法及***，建立目标定位区域的电子地图，建立坐标系；设置多个无线传感器节点，确定所述无线传感器节点在所述电子地图中的坐标值和位置；目标节点广播数据包，所述无线传感器节点测量目标节点的RSSI值；根据测量该目标节点RSSI值的所述无线传感器节点的坐标值及获取的该目标节点的RSSI值得到该目标节点在所述电子地图中的坐标，根据该目标节点的坐标得到目标在电子地图中的定位位置。本发明一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法及***，借助电子地图在不进行节点自定位情况下实现目标定位，使得提高定位精度、降低实施难度并扩大定位应用范围。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：在定位区域内设置多个无线传感器节点，每个传感器节点设定全网唯一的标识号并记录在无线传感器节点中，传感器节点将记录有本节点标识号和RSSI测量值的数据包发送到上位机。

3.根据权利要求1所述免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：还包括电子地图数据库，电子地图数据库存储有描述电子地图所有元素的数据、无线传感器节点坐标数据和地图匹配模块。

4.根据权利要求3所述免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：所述电子地图数据库包含的无线传感器节点坐标数据包括无线传感器节点标识号和传感器节点在电子地图的坐标值。

5.根据权利要求1所述免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：还包括目标定位算法模块，负责根据传感器节点在电子地图的坐标和传感器节点RSSI测量值计算目标在电子地图的坐标。

6.根据权利要求1所述免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：对目标节点在所述电子地图中的坐标进行地图匹配。

7.根据权利要求1所述免除节点自定位的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：所述无线传感器节点设置在附着物上，所述无线传感器节点设置在电子地图区域中。

8.一种免除节点自定位的无线传感器网络目标定位***，其特征在于，包括多个无线传感器节点、获取所述无线传感器节点在所述电子地图中的坐标值和位置的获取单元、构建电子地图的地图构建单元、获取传感器节点测量信息的获取单元、确定目标节点位置的确定单元，所述地图构建单元建立目标定位区域的电子地图，建立电子地图坐标系；目标节点广播数据包，所述确定单元通过所述无线传感器节点获取测量的目标节点的RSSI值并根据测量该目标节点RSSI值的所述无线传感器节点的坐标值得到该目标节点在所述电子地图中的坐标，根据该目标节点的坐标得到目标在电子地图中的定位位置。

9.根据权利要求8所述免除节点自定位的无线传感器网络目标定位***，其特征在于，包括对目标节点在所述电子地图中的坐标进行地图匹配的地图匹配单元。

10.根据权利要求8所述免除节点自定位的无线传感器网络目标定位***，其特征在于，在定位区域内设置多个无线传感器节点，每个传感器节点设定全网唯一的标识号并记录在无线传感器节点中。